基于磁场谐振耦合的无线电力传输效率与电源-研究

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1、第1章绪论整个系统由交流电源、一次侧整流滤波模块、高频逆变模块、分离式变压器、二次侧整流滤波模块以及负载组成。通过一次侧整流滤波将工频电变为直流电，再经高频逆变将直流电转变为所需的高频电加载到分离变压器原边线圈上，电流流经原边时，通过电磁感应将能量传递到副边，副边线圈中产生与原边相同频率的高频电流，再经过二次侧的整流滤波得到合适的电流供给负载。分离变压器的气隙宽度即为传输距离，由于气隙磁阻较大，气隙的宽度直接影响了能量的传输效果，气隙越小，传输效率越高。因此，在实际应用中，电磁感应式无线电力传输的传输距离

2、较小，往往被限制在毫米级。电动牙刷是较早的应用电磁感应方式进行充电的产品，在充电座与牙刷中各有一个线圈，当牙刷放置在充电座中时，通过电磁感应向电动牙刷中的镍氢电池充电，整个系统功率较低，只在3W左右。英国的一家公司Splashpower在2005年上市一款无线充电器splashpads，鼠标垫左右大小的底座中布有小线圈阵列，作为变压器的原边，利用磁性合金绕以电线制成的接收器线圈作为变压器的副边。这些都是感应式无线充电在小功率器件上的应用。由于传输距离非常有限，其方便性并不突出，所以这类产品在生活中尚不普及

3、。此种方式的无线能量传输在大功率设备中的应用，国际上也做了诸多的研究。通用汽车公司研制的电动车感应充电器Magne．charge是较早商业化的无线充电产品，专门用于GM的EVl型电动车充电№1。在今天，电动汽车的发展越来越受到人们的重视，其电池问题更是研究的重点，无线充电技术为此提供了一个研究方向，引起全球研究学者的关注。在日本，国土交通省推进新一代巴士的研究生产，利用无线供电的方式为其充电，巴士停靠在路中安装的充电平台的上方，通过车身下的线圈进行充电，整个过程无线连接，司机通过安装在车内的控制平台自行充

4、电。除此之外，这项技术在交通运输、工业机器人等多方面同样拥有应用空间。在国内，对这类技术也有了一定的研究，中国科学院在2004年左右对无接触无线输电技术进行了研究，并设计一款无接触充电系统能给容量为12Ah、电压为36V的电池充电，在额定电流1．05A的情况下，效率为78％口1。除此之外重庆大学、西安交通大学、香港城市大学等诸多大学、研究所对相关技术进行了研究，取得了一定的成绩。；；图1-2手机无线充电器3霉．镯。～———”——‘—一’一衄圈墨‰——■■‘翻_芝图l-3巴士无线充电东南大学硕士学位论文1．

5、3．2微波方式利用无线电波方式传输电能这一想法最早是由赫兹提出的，他论证了电磁波可由瞬间高压电弧产生，在自由空间传输后通过接收设备可以检测到，但当时并没有将微波转换为直流的整流装置，实验并未实现。1899年美国人特斯拉在科罗拉多建造了一个巨大的直径3英尺的线圈球体，此线圈谐振频率为150KHz，向其输入300kw的电能，瞬间的高压电弧产生电磁波向外辐射，实验验证了赫兹的这个理论阳】。微波无线能量传输技术，是利用微波发生装置将直流电转变为微波，然后通过发射天线将微波以辐射的方式向自由空间发射出去，携带能量的

6、微波束经过自由空间传播后，被接收天线收集，从而实现能量的传输，再通过整流装置将获得的电能转为直流电供一般负载使用，其示意图如下图所示。微波发发射生装置天线图l-4微波无线能量传输示意图利用微波进行能量传输，由于使用的频率往往在GHz范围，频率太高，穿越障碍物的性能不好，发射装置必须对准接收装置，另外微波在传输过程中，会对周围的人体及其他生物产生严重危害，当微波在空气中传播时，会产生较大的损耗，效率较低，所以在日常生活中应用较少，但由于可以实现远距离、超大功率的无线能量传输，在一些特殊场合又有着重要的作用，

7、空间太阳能发电(SpaceSolarPower，SSP)就是微波无线能量传输的典型应用。1968年美国人PGIaser博士提出了太阳能卫星的概念悖3，此太阳能卫星工作在S波段(2．45GHz)，它直接从太阳辐射中获取能量并将其转换成微波能，以微波束的形式定向传送到地面上大型的能量接收整流天线阵，由此即可将太阳能转换为电能供人类使用，整个过程是太阳能、电能、微波、电能的能量转换过程。这一构想最大优点在于充分利用空间无限的太阳能，而发生于二十世纪70年代的美国石油危机进一步促这类技术的发展，前苏联、日本、加拿

8、大等国也相继展开了对微波输电技术的研究，微波输电技术也取得了非常显著的成果。1979年，美国航空航天局与美国能源部联合提出太阳能计划一建立‘‘SPS太阳能卫星基准系统小101。日本为了加快太阳能卫星的开发，先后于1983年和1993年利用火箭对电离层中的微波输电做了细致的研究，并于1994年一1995年对地面上两点间的微波输电进行了实验。空间发电的巨大诱惑使得在2000年，美国宇航局NASA成立了专门的研究组又一次对这一设想进